專利名稱：接觸式水平切變導(dǎo)波磁致伸縮換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種接觸式水平切變(SH)型導(dǎo)波磁致伸縮換能器，更具體地，涉及一種用于工業(yè)構(gòu)造的長距離超聲無損檢測的磁致伸縮導(dǎo)波換能器。
背景技術(shù)：
SH型導(dǎo)波為具有平行于構(gòu)造表面的粒子位移的彈性波，且由所述構(gòu)造的邊界引導(dǎo)，并且能夠以長距離傳播。SH型導(dǎo)波具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，S卩，SH型導(dǎo)波對可能存在于所述構(gòu)造的內(nèi)表面或外表面上的流體不敏感，且在與不連續(xù)交互作用時模態(tài)轉(zhuǎn)換的可能性低，于是可實(shí)現(xiàn)在長距離超聲檢測中易于描述的簡單的回波構(gòu)造。SHO模態(tài)導(dǎo)波和T (0，1)模態(tài)導(dǎo)波分別特別適用于平板或有彎曲的板狀構(gòu)造以及柱狀構(gòu)造，這是因?yàn)樗鰧?dǎo)波具有傳播速度不隨波的頻率而變化的非頻散特性。在相關(guān)技術(shù)中，利用壓電陣列換能器以及兩種電磁聲換能器(EMAT)、即周期性極化磁體(PPM)EMAT和磁致伸縮換能器來生成或檢測這些波。 磁致伸縮換能器的構(gòu)造比壓電陣列換能器和PPM EMAT的構(gòu)造更簡單。由在鐵磁性材料表面的下部附近的部分中彼此垂直的靜態(tài)偏置磁場和動態(tài)磁場的重疊而引起鐵磁性材料變形，磁致伸縮換能器即依賴于所述變形而發(fā)射SH型導(dǎo)波。由永磁體或電磁體對鐵磁性材料提供偏置磁場，而由其中流過RF波段的交流(AC)脈沖的線圈、 即所謂的射頻(RF)線圈來對鐵磁性材料提供動態(tài)磁場。由于動態(tài)磁場的趨膚效應(yīng)，波源被限制在鐵磁性材料的表面附近。沿所述構(gòu)造傳播的導(dǎo)波模態(tài)主要取決于波源的特性和所述構(gòu)造的厚度。在接收SH型導(dǎo)波期間，RF線圈用于檢測在所述材料中由于這些波而產(chǎn)生的磁通的變化。當(dāng)待測試物體由鐵磁性材料制成時，所述物體本身可用作換能器的構(gòu)件，于是可在鐵磁性材料中產(chǎn)生SH型導(dǎo)波，并且無需其他兩個構(gòu)件(線圈和磁體)和所述物體之間的直接接觸便可檢測所述SH型導(dǎo)波。這種非接觸式磁致伸縮換能器可實(shí)現(xiàn)高溫檢測。通過延長的螺旋線圈換能器來發(fā)射和接收低頻SH導(dǎo)波，而通過彎折線線圈換能器或多螺旋線圈換能器來發(fā)射和接收高頻SH導(dǎo)波。這些磁致伸縮換能器包括用于產(chǎn)生靜態(tài)磁場的永磁體或電磁體，所述靜態(tài)磁場平行于每個RF線圈的腿部的方向，且于是垂直于動態(tài)磁場。在非鐵磁性物體中，可使用接觸式磁致伸縮換能器來發(fā)射和接收SH型導(dǎo)波， 每個所述磁致伸縮換能器包括臨時或永久地附著于非鐵磁性物體表面的磁致伸縮條帶 (或磁致伸縮片)。這些接觸式磁致伸縮換能器也應(yīng)用于鐵磁性材料，以更有效地發(fā)射和接收SH型導(dǎo)波。在相關(guān)技術(shù)中，在磁致伸縮條帶的長度方向上的剩余磁化(residual magnetization)被用作靜態(tài)偏置磁場，該剩余磁化通過沿著磁致伸縮條帶移動U形永磁體而獲得，所述磁致伸縮條帶使用諸如環(huán)氧樹脂等粘性材料而附著于所述構(gòu)造。在接觸式磁致伸縮換能器中，可高效地發(fā)射或接收沿磁致伸縮條帶的寬度方向傳播的低頻(通常小于 200kHz) SH型導(dǎo)波。于是，接觸式磁致伸縮換能器廣泛應(yīng)用于大型構(gòu)造的長距離超聲檢測中。然而，這些傳統(tǒng)的磁致伸縮條帶導(dǎo)波換能器具有下列缺點(diǎn)。首先，當(dāng)從待測試物體拆卸磁致伸縮條帶時或當(dāng)除去牢固地粘附于被拆卸條帶的環(huán)氧樹脂時，磁致伸縮條帶容易損壞，從而難以重復(fù)地再利用磁致伸縮條帶。其次，當(dāng)條帶附著于諸如小直徑管等曲率大的物體或者諸如鋁管等非鐵磁性管時，難以獲得均勻的剩余磁化。再者，強(qiáng)動態(tài)磁場可導(dǎo)致剩余磁化的不可逆變化，于是，在發(fā)射SH導(dǎo)波期間流過RF線圈的電流需要被限制在一定范圍內(nèi)。因?yàn)镽F線圈的阻抗與頻率成比例，故流過以相對較低的頻率驅(qū)動的線圈的電流所受的限制變得苛刻。而且，所述限制不易于量化。這意味著正確使用磁致伸縮條帶導(dǎo)波換能器需要相當(dāng)小心。而且，難以控制剩余磁化的強(qiáng)度。這意味著幾乎不可能使用優(yōu)化的偏置磁場來構(gòu)造對動態(tài)磁場的變化呈線性響應(yīng)的換能器。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明提供了一種接觸式SH型導(dǎo)波磁致伸縮換能器，其包括本身可用于形成偏置磁場并用于在磁致伸縮條帶中形成均勻且可控的偏置磁場的單元，于是該接觸式SH導(dǎo)波換能器能夠可逆地響應(yīng)于動態(tài)磁場的變化。技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種接觸式SH型導(dǎo)波磁致伸縮換能器，該換能器包括換能帶，其設(shè)置于待測試物體的表面上，并且在該換能帶中發(fā)生電磁聲換能；以及射頻(RF)線圈，它們設(shè)置于換能帶上，其中，所述換能帶包括板狀螺線管，該板狀螺線管包括磁致伸縮條帶以及螺線管線圈，在所述磁致伸縮條帶中發(fā)生用于發(fā)射或接收SH型導(dǎo)波的電磁聲換能，所述螺線管線圈沿磁致伸縮條帶的外周以螺旋的形式纏繞，以便沿磁致伸縮條帶的長度方向形成偏置磁場，并且所述RF線圈用于沿磁致伸縮條帶的寬度方向形成動態(tài)磁場，或用于檢測磁致伸縮條帶中的磁通變化。所述換能帶可設(shè)置為圍繞待測試物體，同時緊密地附著于待測試物體的表面。螺線管線圈可均勻地圍繞磁致伸縮條帶的外周，并且可關(guān)于磁致伸縮條帶的長度方向形成均勻且可控的偏置磁場。所述換能帶還可包括非鐵磁性金屬條帶，該非鐵磁性金屬條帶設(shè)置為與板狀螺線管的下表面聲耦合，以便保持換能帶的形狀，并避免磁致伸縮條帶和螺線管被損壞。換能帶還可包括涂敷于板狀螺線管的下表面上且包括非黏性材料的接觸層，所述非黏性材料使換能帶可重復(fù)地附著于待測試物體的表面和從待測試物體的表面拆卸，并使換能帶可被再利用。而且，換能帶還可包括涂敷于非鐵磁性金屬條帶的下表面上并且包括非黏性材料的接觸層，所述非黏性材料使換能帶可重復(fù)地附著于待測試物體的表面和從待測試物體的表面拆卸，并使換能帶可被再利用。接觸層可包括具備良好的橫波傳播特性和電絕緣性的材料。待測試物體可包括具有圓形橫截面的柱狀構(gòu)造，并且換能帶可接觸待測試物體的表面且可具有其中換能帶的兩端彼此面對的環(huán)形橫截面，而由于非鐵磁性金屬條帶的長度大于磁致伸縮條帶的長度，故當(dāng)非鐵磁性金屬條帶附著于板狀螺線管的下表面且耦合于板狀螺線管的下表面時，非鐵磁性金屬條帶的兩端可露出到外面。在此情況下，所述換能帶可包括接觸層，其設(shè)置于待測試物體的表面和非鐵磁性金屬條帶的下表面之間；和夾持單元，其用于使非鐵磁性金屬條帶的兩端耦接。非鐵磁性金屬條帶的兩端可被分別彎曲且可形成一對彼此面對的環(huán)部，并且夾持單元可包括一對圓柱體，其中形成有通孔，通過所述通孔可使螺栓擰緊，并且所述一對圓柱體插入所述一對環(huán)部中；和螺栓單元，其用于通過通孔而使所述一對金屬圓柱體緊密地耦接。接觸層可包括易于變形且為柔性的金屬或塑料，以便于在待測試物體和非鐵磁性金屬條帶之間進(jìn)行聲耦合。技術(shù)效果使用包含板狀螺線管的換能帶，于是可不用附加單元而在磁致伸縮條帶中形成均勻、健壯(robust)且可控的偏置磁場，并且可構(gòu)建對動態(tài)磁場的變化呈可逆響應(yīng)的接觸式 SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器?？墒褂镁哂懈呖煽啃郧覍討B(tài)磁場的變化呈線性響應(yīng)的優(yōu)化的接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器。


參照附圖來詳述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，使得本發(fā)明的以上及其他方面更清楚， 其中圖1為本發(fā)明的一個實(shí)施例的接觸式水平切變(SH)型導(dǎo)波磁致伸縮換能器的換能帶的橫截面圖；圖2為圖1中的接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器的板狀螺線管的立體圖；圖3為表示本發(fā)明的另一實(shí)施例的接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器的環(huán)狀換能帶的設(shè)置的橫截面圖；圖4為用于在待測試的管狀物體中發(fā)射和接收T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波的測試裝置的示意圖；圖5為表示通過圖4的實(shí)驗(yàn)而獲得的信號數(shù)據(jù)的圖；圖6為表示對傳統(tǒng)的接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器的發(fā)射線圈驅(qū)動信號的響應(yīng)的圖；并且圖7為表示對包含圖1的換能帶的接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器的發(fā)射線圈驅(qū)動信號和偏置電壓的響應(yīng)的圖。
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖來更充分地說明本發(fā)明，附圖中圖示了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。圖1為本發(fā)明的一個實(shí)施例的接觸式水平切變(SH)型導(dǎo)波磁致伸縮換能器的換能帶300的橫截面圖，圖2為圖1中的接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器的板狀螺線管310的立體圖，而圖3為表示本發(fā)明的另一實(shí)施例的接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器的環(huán)狀換能帶 400的設(shè)置的橫截面圖。參照圖1 3，接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器包括兩部分，即兩個換能帶300、400 和RF線圈(未圖示)。作為接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器的一部分的換能帶300、400設(shè)置于兩個待檢測物體10、30的表面上且與待檢測物體10、30的表面聲耦合，并且在換能帶 300,400中發(fā)生電磁聲換能。換能帶300、400可使用諸如環(huán)氧樹脂等粘性材料而與待檢測物體10、30的表面聲耦合。諸如谷物糖漿或蜂蜜等液體具備良好的橫波傳播特性，故雖然它們的粘性相對差，但仍可用作環(huán)氧樹脂的替代物，并提供取決于時間或溫度的耦合強(qiáng)度。 在換能帶300、400上設(shè)有作為接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器的另一部件的RF線圈(未圖示)，并且所述RF線圈用于對由于SH型導(dǎo)波而在磁致伸縮條帶311、411中產(chǎn)生的磁通的變化進(jìn)行檢測。圖1表示附著于待測試的扁平物體10的換能帶300的長度方向橫截面。換能帶300不限于用于待測試的扁平物體10。當(dāng)諸如管狀物體等待測試物體形成曲面時，換能帶 300可設(shè)置為圍繞待測試物體并同時緊密地附著于待測試物體的表面。為使換能帶300和待測試物體10彼此聲耦合，使用了具備良好的橫波傳播特性的耦合材料20。換能帶300包括板狀螺線管310，其包括磁致伸縮條帶311和螺線管線圈312 ；非鐵磁性金屬條帶330 ；以及接觸層320。換能帶300還可包括磁致伸縮條帶311、板狀螺線管310以及接觸層320，而不包括非鐵磁性金屬條帶330。換能帶300包括板狀螺線管310的構(gòu)造，該板狀螺線管310是用于在磁致伸縮條帶311中形成偏置磁場的單元。詳細(xì)來說，板狀螺線管310包括磁致伸縮條帶311和螺線管線圈312，于是不用附加單元便可沿磁致伸縮條帶311的長度方向(圖1中的方向A)形成均勻、健壯且可控的偏置磁場。下面，參照圖2更詳細(xì)地說明板狀螺線管310的構(gòu)造。在磁致伸縮條帶311中發(fā)生用于SH型導(dǎo)波的發(fā)射和接收的電磁聲換能。在此情況下，RF線圈(未圖示)用于沿磁致伸縮條帶311的寬度方向(沿圖1中的磁致伸縮條帶311的平面上的與方向A垂直的方向，即，以RF線圈被垂直插入磁致伸縮條帶311的橫截面中或從該橫截面中垂直移出的向前或向后的方向)形成動態(tài)磁場，或用于檢測磁致伸縮條帶311中的磁通變化。此外，通過沿磁致伸縮條帶311的外周以螺旋的形式緊密地纏繞諸如漆包銅線的絕緣電線而構(gòu)成螺線管線圈312，從而可沿磁致伸縮條帶311的長度方向(圖1中的方向 A)形成偏置磁場。螺線管線圈312均勻地圍繞磁致伸縮條帶311的外周，于是沿磁致伸縮條帶311的長度方向形成有均勻、可控的偏置磁場，從而可實(shí)現(xiàn)對動態(tài)磁場的變化呈現(xiàn)可逆響應(yīng)的磁致伸縮換能器。在后面通過描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來介紹利用換能帶300的磁致伸縮換能器的可逆響應(yīng)。如上所述，使直流電流(DC)流過螺線管線圈312，于是可沿磁致伸縮條帶 311的長度方向形成均勻、健壯且可控的偏置磁場。當(dāng)纏繞螺線管線圈312時，可能由于絕緣膜的損壞而在磁致伸縮條帶311的兩個銳邊處發(fā)生螺線管線圈312的電線部和磁致伸縮條帶311之間的電短路。為避免這種電短路，可在磁致伸縮條帶311的兩個邊粘合諸如聚酰亞胺膠帶等電絕緣性和絕熱性極為良好的薄雙面膠帶313。當(dāng)螺線管線圈312圍繞磁致伸縮條帶311的外周時，雙面膠帶313因其黏性而有助于螺線管線圈312的電線部均勻地纏繞于磁致伸縮條帶311上。為制造更精密且更薄的板狀螺線管310，可采用印刷電路技術(shù)等。換能帶300包括在板狀螺線管310下方形成的非鐵磁性金屬條帶330和接觸層 320。換能帶300的非鐵磁性金屬條帶330的表面略大于磁致伸縮條帶311的表面。非鐵磁性金屬條帶330通過使用諸如環(huán)氧樹脂層的粘合劑層340而粘附于板狀螺線管310，從而非鐵磁性金屬條帶330與板狀螺線管310的下表面聲耦合。于是，可保持換能帶300的形狀，并防止磁致伸縮條帶311和螺線管線圈312被損壞。于是，換能帶300可以適應(yīng)待測試物體10表面的幾何尺寸而在彈性限度內(nèi)變形。所述彈性限度取決于非鐵磁性金屬條帶 330和粘合劑層340的材料和厚度。在非鐵磁性金屬條帶330的下表面上涂敷有接觸層320，且接觸層320由非黏性材料制成，該材料可使換能帶300能夠重復(fù)地附著于待測試物體10的表面和從待測試物體10 的表面拆卸，并使換能帶300可被再利用。例如，在用諸如環(huán)氧樹脂的粘合材料作為耦合材料20的情況下，可將具備良好的非黏性、好的橫波傳播特性與電絕緣性的材料(諸如特氟隆(Teflon))牢固地涂敷至幾十微米的厚度，從而形成接觸層320。于是，雖然利用了環(huán)氧樹脂以實(shí)現(xiàn)換能帶300和待測試物體10之間的聲耦合，但由于接觸層320的非黏性，故換能帶300可容易地、無任何損壞地從待測試物體10的表面拆卸，并且換能帶300可重復(fù)地再利用。而且，接觸層320的電絕緣性可避免因非鐵磁性金屬條帶330和待測試物體10之間的電耦合而產(chǎn)生的不均勻渦流。為避免在磁致伸縮條帶311中發(fā)生渦流，可使用其厚度小于通過換能帶300上設(shè)有的RF線圈而形成的動態(tài)磁場的穿透深度的磁致伸縮條帶311。為使換能帶300中的SH型導(dǎo)波的變形最小，換能帶300的厚度必需遠(yuǎn)小于導(dǎo)波的波長。于是，隨著導(dǎo)波的頻率提高， 需要使用更薄的換能帶。在大多數(shù)金屬構(gòu)造中，基模導(dǎo)波的傳播速度約為3000m/s。因此， 在長距離超聲檢測領(lǐng)域所主要使用的頻率范圍(20 200kHz)中，導(dǎo)波的波長約為15 150mm。這意味著可以容易地制造換能帶300。在諸如管子等具有圓形橫截面的柱狀構(gòu)造中，對沿柱狀構(gòu)造的軸向前進(jìn)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)(T模態(tài))導(dǎo)波進(jìn)行發(fā)射和接收的接觸式SH導(dǎo)波換能器的換能帶可為環(huán)狀。圖3表示本發(fā)明的另一實(shí)施例的換能帶400的例子，其中，將換能帶300的構(gòu)造應(yīng)用于圓形的待測試物體30。詳細(xì)來說，待測試物體30為具有圓形橫截面的柱狀構(gòu)造。此外，換能帶400通過使用夾持單元450而與待測試物體30的表面且接觸待測試物體30的表面聲耦合，于是換能帶400具有其中換能帶400的兩端彼此面對的環(huán)形橫截面。圖3表示其中換能帶400的長度方向部沿待測試物體30的圓周方向纏繞的形狀。 在此情況下，磁致伸縮條帶411的長度方向部也沿待測試物體30的圓周方向纏繞。于是， 在磁致伸縮條帶411中，在與待測試物體30的圓周方向?qū)?yīng)的方向上形成有沿磁致伸縮條帶411的長度方向形成的偏置磁場。而且，在磁致伸縮條帶411中，在與待測試物體30的軸向?qū)?yīng)的方向上形成有沿磁致伸縮條帶411的寬度方向形成的動態(tài)磁場。換能帶400包括板狀螺線管410，其包括磁致伸縮條帶411和螺線管線圈412 ； 非鐵磁性金屬條帶430 ；諸如環(huán)氧樹脂層的粘合劑層440，其位于非鐵磁性金屬條帶430和板狀螺線管410之間；以及接觸層420，其直接接觸待測試物體30的表面。接觸層420設(shè)置于待測試物體30的表面和非鐵磁性金屬條帶430的下表面之間，并且可由易于變形且為柔性的金屬或塑料制成，于是易于實(shí)現(xiàn)待測試物體30和非鐵磁性金屬條帶430之間的聲耦合。例如，可利用由諸如鋁(Al)或黃銅等金屬制成的墊片以形成接觸層420，于是易于實(shí)現(xiàn)待測試物體30和非鐵磁性金屬條帶430之間的聲耦合。因?yàn)榉氰F磁性金屬條帶430的長度大于磁致伸縮條帶411的長度，故當(dāng)非鐵磁性金屬條帶430附著且耦合于板狀螺線管410的下表面時，非鐵磁性金屬條帶430的兩端 431、432露出到外面。非鐵磁性金屬條帶430由機(jī)械強(qiáng)度大于板狀螺線管410的材料制成， 并且在非鐵磁性金屬條帶430的兩端431、432上設(shè)有夾持單元450。當(dāng)非鐵磁性金屬條帶 430的露出的兩端431、432彼此耦接時，夾持單元450可實(shí)現(xiàn)換能帶400和待測試物體30 之間的干耦合。更具體地，為了上述干耦合，使非鐵磁性金屬條帶430的露出的兩端431、 432分別彎曲，從而形成一對彼此面對的環(huán)部433、434。在此情況下，夾持單元450包括一對金屬圓柱體451以及螺栓單元453。在這對金屬圓柱體451中形成有通孔452，通過通孔 452可使螺栓擰緊，并且金屬圓柱體451分別插入所述一對環(huán)部433、434中，并且螺栓單元 453通過通孔452而使金屬圓柱體451緊密地耦接，并且另外使用了螺母454。詳細(xì)來說，穿過形成在兩個金屬圓柱體451中間的通孔452而擰緊螺栓單元453和螺母454，從而使換能帶400和待測試的管狀物體30之間有效且容易地干耦合。作為非鐵磁性金屬條帶430 的兩端的環(huán)部433、434彼此連接而圍繞金屬圓柱體451，并且隨著進(jìn)一步擰緊環(huán)部433、434 時，在非鐵磁性金屬條帶430的彼此面對的兩端431、432上直接形成的各表面彼此接合。下面，參照圖4 7以引入用于證實(shí)本發(fā)明的效果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖4為用于在待測試的管狀物體80中發(fā)射和接收T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波的測試裝置的示意圖。在此情況下，以圖1中的換能帶300用作待實(shí)驗(yàn)的對象。圖5為表示通過圖4的實(shí)驗(yàn)而獲得的信號數(shù)據(jù)的典型圖。圖6為表示對傳統(tǒng)的接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器的發(fā)射線圈驅(qū)動信號的響應(yīng)的圖，并且圖7為表示對包含圖1的換能帶300的接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器的發(fā)射線圈驅(qū)動信號和偏置電壓的響應(yīng)的圖。為證實(shí)上述效果，以外徑為110mm、厚度為5mm且長度為:3m的碳鋼管用作待測試的物體80，并且制造了用于在待測試物體80中發(fā)射和接收T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波的兩種磁致伸縮換能器。圖4圖示了用于評價兩種磁致伸縮換能器的換能效率的測試裝置。兩個磁致伸縮換能器各包括換能帶(由陰影線部所示)，其在對應(yīng)于管80長度的三分之一部分的位置處沿管80的圓周方向而附著于管80的表面；發(fā)射RF線圈陣列(Τ線圈)和接收RF線圈陣列(R線圈)，它們彼此重疊且設(shè)置于換能帶上。所制造的磁致伸縮換能器根據(jù)其中使用的換能帶的類型而分類。而且，所有磁致伸縮換能器共同使用一個發(fā)射線圈陣列(Τ線圈)和一個接收線圈陣列(R線圈)。兩種換能帶之一為磁致伸縮條帶本身。包含作為磁致伸縮條帶本身的換能帶(未圖示)的磁致伸縮換能器代表了相關(guān)技術(shù)中的傳統(tǒng)的換能器。另一個換能帶為圖1中的換能帶300。在包含作為磁致伸縮條帶本身的傳統(tǒng)換能帶(未圖示)的磁致伸縮換能器中使用的磁致伸縮條帶為由美國Carpenter Technology公司提供的鐵鈷合金Hyperco50HS條帶(寬度56mmX長度310mmX厚度0. Imm)。已知磁致伸縮條帶具有可用于產(chǎn)生偏置磁場的14kG的大的剩余磁化和250e的矯頑力。在圖1的換能帶300中包括的磁致伸縮條帶 311為由德國Vacuumschmeltz公司提供的鐵鈷合金Vacof lux50條帶(寬度56mmX長度 310mmX厚度0. Imm)。該條帶具有2. IkG的非常低的剩余磁化和30e的矯頑力。于是所述剩余磁化難以用于產(chǎn)生偏置磁場。換能帶300的接觸層320由特氟隆制成，并且接觸層320 的厚度約為20微米。換能帶300的非鐵磁性金屬條帶330為鋁(Al)條帶(寬度60mmX 長度316mmX厚度0. 2mm)。而且，換能帶300的螺線管線圈312由直徑為0. 15mm的漆包銅線制成，并且螺線管線圈312的DC電阻為93 Ω。發(fā)射線圈陣列(Τ線圈)和接收線圈陣列(R線圈)每個都包括兩個同樣的延長的螺旋線圈，所述螺旋線圈布置為使得一個線圈的一個腿部可設(shè)置于另一線圈的兩個腿部中間。發(fā)射線圈由矩形漆包銅線(寬度1.3mmX厚度0. 20mm)制成，并且繞線匝數(shù)為10。接收線圈由直徑為0. 12mm的漆包銅線制成，并且繞線匝數(shù)為110。所有螺旋線圈的一個腿部的寬度和長度以及兩個腿部之間的距離分別為14mm、500mm&^mm。根據(jù)T(0，1)模態(tài)的 2880m/s的傳播速度來選擇所述寬度和距離，從而所述寬度和距離可與在磁致伸縮條帶中頻率為50kHz處的導(dǎo)波的1/4波長和1/2波長幾乎相同。于是，每個線圈陣列的整個寬度和磁致伸縮條帶的寬度為與導(dǎo)波的一個波長相同的56mm。如圖4所示的用于在管80中發(fā)射和接收T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波的測試裝置為由Digital Ultrasonics有限公司提供的GWR320系統(tǒng)。GWR320系統(tǒng)允許根據(jù)相控陣?yán)碚摱贾脙蓚€發(fā)射線圈和兩個接收線圈，于是可調(diào)節(jié)發(fā)射導(dǎo)波的前進(jìn)方向和接收導(dǎo)波的檢測方向。在本實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)脈沖發(fā)生器40，將具有相同輸出波形(50kHz，兩個周期的矩形脈沖) 和完全不同(即相反)相位的兩個驅(qū)動電壓信號提供給每個發(fā)射線圈的兩個端子，并且將接收線圈的兩端感應(yīng)的RF信號通過接收器50的帶通濾波器和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器60而轉(zhuǎn)換為視頻信號，并存儲于計(jì)算機(jī)70中。包括僅包括磁致伸縮條帶的傳統(tǒng)換能帶(未圖示)的磁致伸縮換能器的實(shí)驗(yàn)步驟如下。1)用“五分鐘環(huán)氧樹脂膠(five-minute印oxy) ”將換能帶粘附于樣本管80。2)用永磁體在磁致伸縮條帶中感應(yīng)出剩余磁化。3)將發(fā)射線圈陣列(T線圈)和接收線圈陣列 (R線圈)設(shè)置于換能帶上，然后連接于圖4中的用于發(fā)射和接收T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波的測試裝置。4)對圖4中的用于發(fā)射和接收Τ(0，1)模態(tài)導(dǎo)波的測試裝置進(jìn)行控制，從而可產(chǎn)生前進(jìn)至磁致伸縮換能器右側(cè)的導(dǎo)波，并且可檢測到從管80的右端反射的信號。5)對圖4中的用于發(fā)射和接收T (0，1)模態(tài)導(dǎo)波的測試裝置進(jìn)行控制，使得驅(qū)動信號幅值可依次為3V、 6V和3V，并且將檢測到的信號數(shù)據(jù)存儲于計(jì)算機(jī)70中。6)移除發(fā)射線圈陣列和接收線圈陣列(Τ線圈和R線圈)，并且使用永磁體感應(yīng)出剩余磁化，然后重新安裝發(fā)射線圈陣列和接收線圈陣列(Τ線圈和R線圈)。7)對圖4中的用于發(fā)射和接收Τ(0，1)模態(tài)導(dǎo)波的測試裝置進(jìn)行控制，使得驅(qū)動信號幅值可依次為3V、6V、11V、6V以及3V，并且將檢測到的信號數(shù)據(jù)存儲于計(jì)算機(jī)70中。8)重復(fù)執(zhí)行步驟6)。9)對圖4中的用于發(fā)射和接收T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波的測試裝置進(jìn)行控制，使得驅(qū)動信號幅值可依次為3V、6V、11V、27V、11V、6V以及3V，并且將檢測到的信號數(shù)據(jù)存儲于計(jì)算機(jī)70中。10)重復(fù)執(zhí)行步驟6)。11)對圖4中的用于發(fā)射和接收T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波的測試裝置進(jìn)行控制，使得驅(qū)動信號幅值可依次為3V、6V、11V、 27V、52V、27V、11V、6V以及3V，并且將檢測到的信號數(shù)據(jù)存儲于計(jì)算機(jī)70中。12)移除發(fā)射線圈陣列和接收線圈陣列(T線圈和R線圈)，然后從管80拆卸換能帶，從而終止換能帶的實(shí)驗(yàn)。在本實(shí)驗(yàn)中使用的永磁體由釹鐵硼合金制成，并且兩個磁極中心之間的距離、每個磁極的長度以及在每個磁極附近形成的磁場強(qiáng)度分別為20mm、90mm和0. 6T。圖1中的換能帶 300的實(shí)驗(yàn)步驟中，以將螺線管線圈312的兩個端子連接于DC電源(3V、6V、12V和MV)來替代步驟2)，并且步驟6)、步驟8)和步驟10)不是必需的，除此之外，與其他換能帶的實(shí)驗(yàn)步驟相同。圖5表示獲得的信號數(shù)據(jù)的典型示例。第一回波為當(dāng)R線圈立即檢測到T線圈的驅(qū)動信號時產(chǎn)生的主脈沖回波。在lm、aii和: 位置處產(chǎn)生的回波為從管的右端和左端反射的回波以及由經(jīng)過了所述管的往返距離的兩個導(dǎo)波產(chǎn)生的回波。由方向控制導(dǎo)波產(chǎn)生的回波、即從管的右端反射的回波的幅值最大，而其他回波的幅值相對小。從每個磁致伸縮換能器獲得的每個信號數(shù)據(jù)測量出從管的右端反射的回波的峰值，從而可評價磁致伸縮換能器對T線圈的驅(qū)動信號的響應(yīng)的可逆性。圖6表示使用僅包含磁致伸縮條帶的傳統(tǒng)換能帶(未圖示)的磁致伸縮換能器的可逆性的評價結(jié)果。當(dāng)T線圈的驅(qū)動信號的幅值小于或等于IlV時，傳統(tǒng)磁致伸縮換能器具有相對好的可逆性。然而，隨著T線圈的驅(qū)動信號的幅值增大，傳統(tǒng)磁致伸縮換能器的可逆性逐漸降低。幅值為52V的驅(qū)動信號使磁致伸縮條帶中的剩余磁化發(fā)生大的變化。這樣， 傳統(tǒng)磁致伸縮換能器的可逆性極大地降低。也可能在使用者在測試系統(tǒng)工作期間(特別是當(dāng)測試系統(tǒng)被啟動/關(guān)閉時)未意識到例如大幅值的驅(qū)動信號時，所述驅(qū)動信號便被提供給T線圈。于是，利用剩余磁化以形成偏置磁場的磁致伸縮換能器的正確操作需要相當(dāng)小心。圖7表示使用圖1的換能帶300的磁致伸縮換能器的結(jié)果。磁致伸縮換能器對發(fā)射線圈驅(qū)動信號和偏置電壓、即螺線管線圈312兩端的電壓的幾乎所有變化的響應(yīng)都可以是可逆的。在最低偏置電壓為3V的情況下，測量到微小的不可逆響應(yīng)。關(guān)于當(dāng)驅(qū)動信號電壓增加時得到的每個驅(qū)動信號電壓的接收信號幅值略小于關(guān)于當(dāng)驅(qū)動信號電壓減小時得到的每個驅(qū)動信號電壓的接收信號幅值。然而，即便在此情況下，在使用剩余磁化形成偏置磁場時測到的大的驅(qū)動電壓處，也不會發(fā)生接收信號幅值的快速下降?？纱_定微小的不可逆性是由因大驅(qū)動信號而在磁致伸縮條帶的寬度方向上產(chǎn)生的剩余磁化引起的。在相對大的偏置電壓中，這種微小的不可逆性不會發(fā)生。這是因?yàn)槭褂昧舜蟮钠秒娏饕匀コＳ啻呕?。接收到的信號的幅值隨著驅(qū)動信號幅值和偏置電壓而增大。接收信號幅值關(guān)于驅(qū)動信號幅值而增加的非線性特性隨著偏置電壓而增大。如上所述，在本發(fā)明的接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器中，使用了包括板狀螺線管的換能帶，從而可不用另外的單元便可在磁致伸縮條帶中形成均勻、健壯且可控的偏置磁場，并且可構(gòu)建對動態(tài)磁場的變化呈現(xiàn)可逆響應(yīng)的接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器?？墒褂镁哂懈呖煽啃郧覍討B(tài)磁場的變化呈線性響應(yīng)的優(yōu)化的接觸式SH導(dǎo)波磁致伸縮換能器。雖然本發(fā)明參照示例性實(shí)施例進(jìn)行了具體圖示和說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離由所附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可作出各種形式和細(xì)節(jié)上的變化。
權(quán)利要求
1.一種接觸式水平切變(SH)型導(dǎo)波磁致伸縮換能器，其包括換能帶，其設(shè)置于待測試物體的表面上，并且在所述換能帶中發(fā)生電磁聲換能；和射頻(RF)線圈，它們設(shè)置于所述換能帶上，其中，所述換能帶包括板狀螺線管，該板狀螺線管包括磁致伸縮條帶以及螺線管線圈， 在所述磁致伸縮條帶中發(fā)生用于發(fā)射或接收水平切變型導(dǎo)波的所述電磁聲換能，所述螺線管線圈沿所述磁致伸縮條帶的外周以螺旋的形式纏繞，以便沿所述磁致伸縮條帶的長度方向形成偏置磁場，并且所述射頻線圈用于沿所述磁致伸縮條帶的寬度方向形成動態(tài)磁場，或用于檢測所述磁致伸縮條帶中的磁通的變化。
2.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中，所述換能帶設(shè)置為圍繞所述待測試物體并同時緊密地附著于所述待測試物體的表面。
3.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中，所述螺線管線圈均勻地圍繞所述磁致伸縮條帶的外周，并且關(guān)于所述磁致伸縮條帶的長度方向形成均勻且可控的偏置磁場。
4.如權(quán)利要求1 3之一所述的換能器，其中，所述換能帶還包括非鐵磁性金屬條帶， 該非鐵磁性金屬條帶設(shè)置為與所述板狀螺線管的下表面聲耦合，以便保持所述換能帶的形狀，并避免所述磁致伸縮條帶和所述螺線管被損壞。
5.如權(quán)利要求4所述的換能器，其中，所述換能帶還包括接觸層，該接觸層涂敷于所述非鐵磁性金屬條帶的下表面并且包括非黏性材料，所述非黏性材料使所述換能帶可重復(fù)地附著于所述待測試物體的表面和從所述待測試物體的表面拆卸，并使所述換能帶可被再利用，并且所述接觸層包括具備良好的橫波傳播特性和電絕緣性的材料。
6.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中，所述換能帶還包括接觸層，該接觸層涂敷于所述板狀螺線管的下表面并且包括非黏性材料，所述非黏性材料使所述換能帶可重復(fù)地附著于所述待測試物體的表面和從所述待測試物體的表面拆卸，并使所述換能帶可被再利用，并且所述接觸層包括具備良好的橫波傳播特性和電絕緣性的材料。
7.如權(quán)利要求4所述的換能器，其中，所述待測試物體包括具有圓形橫截面的柱狀構(gòu)造，并且所述換能帶與所述待測試物體的表面接觸并具有使所述換能帶的兩端彼此面對的環(huán)形橫截面，并且由于所述非鐵磁性金屬條帶的長度大于所述磁致伸縮條帶的長度，故當(dāng)使所述非鐵磁性金屬條帶附著于所述板狀螺線管的下表面且耦合于所述板狀螺線管的下表面時，所述非鐵磁性金屬條帶的兩端露出到外面，并且所述換能帶包括接觸層，其設(shè)置于所述待測試物體的表面和所述非鐵磁性金屬條帶的下表面之間；和夾持單元，其用于使所述非鐵磁性金屬條帶的兩端耦接。
8.如權(quán)利要求7所述的換能器，其中，所述非鐵磁性金屬條帶的兩端被分別彎曲并形成一對彼此面對的環(huán)部，并且所述夾持單元包括一對圓柱體，該對圓柱體中形成有通孔，通過所述通孔可使螺栓擰緊，并且所述一對圓柱體插入所述一對環(huán)部中；和螺栓單元，其用于通過所述通孔而使所述一對金屬圓柱體緊密地耦接。
9.如權(quán)利要求7所述的換能器，其中，所述接觸層包括易于變形且為柔性的金屬或塑料，以便容易在所述待測試物體和所述非鐵磁性金屬條帶之間進(jìn)行聲耦合。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種接觸式水平切變(SH)型導(dǎo)波磁致伸縮換能器，其包括換能帶，其設(shè)置于待測試物體的表面上，并且其中發(fā)生電磁聲換能；和射頻(RF)線圈，它們設(shè)置于換能帶上，其中，所述換能帶包括板狀螺線管，該板狀螺線管包括磁致伸縮條帶以及螺線管線圈，在所述磁致伸縮條帶中發(fā)生用于發(fā)射或接收SH型導(dǎo)波的電磁聲換能，所述螺線管線圈沿磁致伸縮條帶的外周以螺旋的形式纏繞，以便沿磁致伸縮條帶的長度方向形成偏置磁場，并且RF線圈用于沿磁致伸縮條帶的寬度方向形成動態(tài)磁場，或用于檢測磁致伸縮條帶中的磁通變化。
文檔編號H04R15/00GK102474690SQ201080025679
公開日2012年5月23日 申請日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者崔明善, 金星俊 申請人:嶺南大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán), 數(shù)字超音波有限公司